Pertemuan 14 SISTEM TENAGA GAS

A. Siklus Standar Udara Otto Siklus udara standar Otto adalah siklus ideal yang mengasumsikan penambahan kalor terjadi secara spontan pada kedudukan piston di Titik Mati Atas (TMA) Siklus Otto diperlihatkan pada gambar 3. ditunjukkan oleh diagram p - v dan T – s. Siklus terdiri dari 4 proses reversibel internal yang berurutan

Gambar 3. Diagram p – v dan T – s untuk siklus Otto standar udara

Proses 1 - 2 : adalah kompresi isentropik udara ketika piston bergerak dari TMB (titik mati bawah) ke TMA (titik mati atas) pada keadaan isotermal. Proses 2 - 3 : adalah perpindahan kalor keluar sistem volume konstan yang diambil dari sumber luar ketika piston berada pada TMA. Proses ini dimaksudkan untuk mewakili proses pembakaran campuran udara-bahan bakar Proses 3 - 4 : adalah proses ekspansi isentropik (langkah kerja) Proses 4 - 1 : adalah proses volume konstan dimana kalor masuk ke dalam sistem ketika piston berada pada TMB

Dengan mengabaikan energi kinetik dan potensial, maka siklus Otto yang mempunyai dua langkah kerja dan dua langkah dimana terjadi perpindahan kalor bisa dirumuskan :

Kerja bersih siklus dinyatakan sebagai : Atau dengan cara

Efisiensi termal adalah perbandingan kerja bersih siklus terhadap kalor yang ditambahkan yaitu : Harga entalpi spesifik yang diperlukan untuk persamaan diatas bisa dilihat dari tabel udara

Untuk proses isentropik 1-2 dan 3-4 berlaku hubungan : dimana : r = rasio kompresi = V1 / V2 = V4 / V3 vr = volume per satuan massa / volume jenis

Jika siklus Otto dianalisis pada basis standar udara dingin, rumus berikut bisa digunakan : dimana : k = =rasio kalor spesifik = cp/cv

Pengaruh Rasio Kompresi Terhadap Unjuk Kerja Dari diagram T - s pada gambar 3. kita bisa mengambil kesimpulan bahwa efisiensi termal siklus Otto naik jika rasio kompresi naik. Kenaikan rasio kompresi merubah siklus dari 1-2-3-4-1 menjadi 1-2’-3’-4-1. Karena temperatur rata-rata kalor yang ditambahkan lebih besar pada siklus yang kedua dan kedua siklus mempunyai proses pelepasan kalor yang sama, siklus 1-2’-3’-4-1 akan mempunyai efisiensi termal yang lebih besar.

Efisiensi termal berbasis standar udara dingin pada cv konstan : atau karena T4 / T1 = T3 / T2 maka :

B. Siklus Standar Udara Diesel Siklus standar udara Diesel adalah siklus ideal yang mengasumsikan penambahan kalor terjadi selama proses tekanan konstan yang dimulai ketika piston berada pada TMA. Siklus Diesel diperlihatkan pada gambar 5. dimana diperlihatkan diagram p - v dan T - s. Siklus terdiri dari empat proses reversibel.

Gambar 5. Diagram p-v dan T-s untuk siklus Diesel standar udara

Sistem kerja 1 ke 2 adalah kompresi isentropik. Pada siklus ini kalor dipindahkan ke fluida kerja pada tekanan konstan yaitu proses 2 - 3 yang juga adalah langkah kerja pertama. Proses 3 Siklus diselesaikan pada volume konstan yaitu proses 4 - 1 dimana kalor dilepaskan dari udara ketika piston berada pada posisi TMB- 4 adalah ekspansi isentropik

Proses 2-3 mencakup proses kerja dan kalor : Kalor yang ditambahkan pada proses maka

Kalor yang dilepas pada proses 4-1 : Efisiensi termal adalah rasio kerja bersih siklus terhadap kalor yang diberikan.

Volume spesifik didapatkan : Untuk mencari T3 dimana p3 = p2: dimana rc = V3 / V2yang disebut rasio cutoff. Karena V4 = V1rasio volume untuk proses isentropik 3-4 adalah :

vr4 bisa dicari dengan : Pada analisis standar udara Efisiensi termal :

Siklus Stirling Silus ini ditemukan oleh Stirling, dimana terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses volume konstan. Dua proses terakhir terjadi dengan bantuan sebuah regenerator untuk membuat siklus ini reversibel. Diagram p-v dan T-s siklus ini ditunjukkan oleh gambar

Gambar siklus stirling

Tingkat pertama Udara berekspansi secara isotermal, pada temperatur konstan T1 dari v1 ke v2. Kalor yang diberikan sumber eksternal diserap selama proses Kalor yang diberikan = kerja yang dilakukan selama proses isotermal

Tingkat kedua Sekarang udara lewat melalui regenerator dan didinginkan pada volume konstan ke temperatur T3 Proses ini digambarkan oleh grafik 2-3 pada diagram p-v dan T-s. Pada proses ini kalor dibuang ke generator Kalor yang dilepaskan ke generator Qlepas= m Cv (T2 – T3)

Tingkat ketiga Udara dikompresi secara isotermal di dalam silinder mesin dari v3 ke v4 Proses ini digambarkan oleh grafik 3-4 pada diagram p-v dan T-s Lagi kalor dibuang oleh udara Kalor yang dilepaskan oleh udara

Tingkat keempat udara dipanaskan pada volume konstan ke temperatur T1 dengan melewatkan udara ke regenerator dalam arah yang berlawanan dengan proses 2-3 Pada proses ini kalor diserap oleh udara dari regenerator selama proses ini, yaitu proses 4-1 Kalor yang diserap oleh udara = m.Cv (T1 – T4) = m.Cv(T1 – T3) ... (karena T3 = T4)

Terlihat bahwa kalor yang dilepaskan ke regenerator selama proses 2-3 adalah sama dengan kalor yang diambil dari regenerator selama proses 4-1. jadi, tidak ada pertukaran kalor ke sistem selama proses-proses ini. Pertukaran kalor hanya terjadi selama dua proses isotermal

Siklus Joule Siklus ini terdiri dari dua proses tekanan konstan dan dua proses adiabatik. Diagram p-v dan T-s ditunjukkan oleh gambar

Tingkat pertama Tingkat kedua Udara dipanaskan pada tekanan konstan dari temperatur awal T1 ke temperatur T2 Tingkat kedua Udara dibiarkan berekspansi secara adiabatik dari v2 ke v3 Temperatur turun dari T2 ke T3. Pada proses ini tidak ada kalor yang diserap atau dilepaskan oleh udara

Tingkat ketiga Tingkat keempat Sekarang udara didinginkan pada tekanan konstan dari temperatur awal T3 ke temperatur T4 Tingkat keempat Udara sekarang dikompresikan secara adiabatik dari v4 ke v1 Temperatur naik dari T4 ke T1. Tetap pada proses ini tidak ada kalor yang diserap atau dilepaskan oleh udara.

Terlihat dari penjelasan di atas bahwa tidak terjadi pertukaran kalor selama dua proses adiabatik. Pertukaran kalor hanya terjadi selama proses tekanan konstan. dan efisiensi:

Pada ekspansi adiabatik 2-3: dan untuk kompresi adiabatik 4-1,

dengan memasukkan harga T4/T3 pada persamaan